WO2010119872A1 - Ledユニット - Google Patents

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    • H05K3/0061Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates onto a metallic substrate, e.g. a heat sink

Definitions

  • the LED module and the illumination device described above do not disclose an LED module that has a submount member on which the LED chip is mounted on the bottom surface and can be directly mounted on the heat sink.
  • a bonding wire is required to electrically connect a circuit provided on the substrate.
  • the electrical insulator is a pair of electrical insulators separated from each other on the first surface of the heat sink.
  • the LED module is disposed between the pair of electrical insulators, and a pattern circuit is formed on the first surface of each electrical insulator.
  • the LED module is preferably joined to the first surface of the heat sink by brazing or a heat conductive adhesive.
  • the LED module and the heat radiating plate can be joined while ensuring high thermal conductivity without providing a screw hole in the LED module.
  • the LED module can be reduced in size, and the LED module can be mounted at a high density.
  • each negative terminal 27a is electrically connected to the cathode of the LED chip 10 via a lower surface side conductor pattern 26a, a via hole 28, a second land 24b, a conductor pattern (not shown), and a bonding wire (not shown). It is connected to the.
  • the LED chip 10 is mounted in an area indicated by a dotted-line rectangle on the upper surface (back side of the paper) of the bottom of the housing 22 shown in FIGS. 2B and 2D. That is, the above-described submount member 22a is formed at least in a region indicated by a dotted square in FIG. 2B (FIG. 2D) in the bottom of the housing 22.
  • the lower surface side conductor pattern 26a is mainly provided inside the bottom wall of the housing 22 (that is, the case shown in FIGS. 2A and 2B) will be described.
  • the basic configuration of the LED unit 100 of the present embodiment shown in FIG. 9 is substantially the same as that of the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the present embodiment is different from the first embodiment with respect to the shape of each terminal 27 and the electrical insulator 30.
  • the heat sink 40 is formed of a rectangular parallelepiped copper plate, and functions as a support base having a first surface (upper surface) 40a on which the LED modules 1 are mounted in two rows in the longitudinal direction.
  • the heat radiating plate 40 includes a plurality of (two in the illustrated example) flow paths 46 and 47 of the coolant for cooling the LED chip.
  • the flow paths 46 and 47 are formed in a cylindrical shape, and their length directions are the same direction (longitudinal direction of the heat dissipation member 2).
  • the flow paths 46 and 47 are formed in the heat radiating plate 40 so as to be parallel to each other at a predetermined interval in a direction orthogonal to the length direction (short direction of the heat radiating member 2).
  • the lower surface of the mounting table 44 and the upper surface of the base 45 have a small surface roughness, and the lower surface of the mounting table 44 is attached by screwing or the like so as to be in close contact with the upper surface of the base 45.
  • the thermal resistance between the base 44 and the base 45 is reduced.

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Abstract

 本発明におけるLEDユニット100は、複数のLEDモジュール1と放熱板40を含み、次の構成を備える。各LEDモジュール1は、LEDチップ10と、LEDチップ10を内部に収める電気絶縁性のパッケージ20を含む。 各パッケージ20は、LEDチップ10と放熱板40との間に位置する部分に、熱伝導性を有するサブマウント部材22aが一体に形成されて、 これらのLEDモジュール1は、放熱板40の第一面に並べて配置される。この構成により、LEDユニット100はLEDチップ10からの発熱を効率良く放熱板40に拡散することができる。

Description

LEDユニット
 本発明は、複数のLEDモジュールを実装したLEDユニットに関するものである。
 従来から、放電ランプやレーザ発振器などを光源として用いた光源装置が提供されているが、近年、低消費電力化や長寿命化などを目的として、放電ランプなどの代わりにLED(発光ダイオード)モジュールを光源として用いたLEDユニットが種々提案されている。
 LEDモジュールは、LEDチップと、LEDチップを内部に収めるパッケージから構成される。LEDモジュールは、放電ランプなどの従来の光源装置と同程度の光量が得られるように、複数個を組み合わせて用いられる。特開2004-528698は、複数のLEDを含むLEDモジュールを開示している。このLEDモジュールにおける各LEDは、熱伝導性材料を含むスプレッダ上に電気絶縁性サブマウント部材を介して搭載されている。このLEDモジュールにおける各LEDは、ワイヤを介して、電気接点に接続されている。特開2007-234571は、複数の点灯ユニットとプリント回路を搭載した照明装置を開示している。この照明装置での複数の点灯ユニットとプリント回路は、金属材料から成る放熱板上に、熱伝導性絶縁膜を介して搭載されている。この点灯ユニットは、それぞれLEDとLEDを覆う透明カバーを有している。この照明装置における各々のLEDはワイヤボンディングによって、プリント回路に電気接続されている。
 しかしながら、上記のLEDモジュールや照明装置には、LEDチップを搭載するサブマウント部材を底面に有して、放熱板に直接搭載できるLEDモジュールを開示していない。しかも、基板上に設けられた回路とを電気接続するためにボンディングワイヤを必要とする。ボンディングワイヤを用いることにより、部品点数が増えて、接合工程に手間がかかり、製造コストがかかる要因となりうる。さらに、製造時に、外部との接触によってワイヤボンディングが破損する恐れも考えられる。
 本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワイヤボンディングを用いることなく、LEDモジュールと外部の回路(配線)とを電気接続することを可能にするLEDユニットを提供することにある。
 本発明におけるLEDユニットは、複数のLEDモジュールと放熱板を含み、次に述べる構成を備える。各LEDモジュールは、LEDチップと、LEDチップを内部に収める電気絶縁性のパッケージを含む。各パッケージは、LEDチップと放熱板との間に位置する部分に、熱伝導性を有するサブマウント部材が一体に形成されている。これら複数のLEDモジュールは、放熱板の第一面に並べて配置される。この構成により、LEDユニット100はLEDチップ10からの発熱を効率良く放熱板40に拡散することができる。
 LEDユニットは、さらに次に述べる構成を有することが好ましい。各LEDモジュールの外面には、LEDチップのアノードとカソードにそれぞれ電気的に結合された正端子と負端子が露出している。放熱板は、その第一面において、LEDモジュールに隣接するように電気絶縁体が備えられる。この電気絶縁体の第一面にパターン回路が形成され、このパターン回路は複数のLEDモジュールを互いに電気的に接続するように形成される。このパターン回路には、各LEDモジュールの端子へ半田接合されるための複数のパッドが形成される。この構成によれば、ワイヤボンディングを用いることなく、より簡便な半田接合によってLEDモジュールとパターン回路とを電気接続できて、製造コストを抑えることができる。
 さらに、正端子と負端子は、LEDモジュールの第一面に形成されることが好ましい。この構成によれば、単一面で半田接合できるので、簡便に電気的に接続することができる。あるいは、正端子と負端子は、LEDモジュールの第一面と第二面にそれぞれ形成されることも好ましい。
 さらに、正端子と負端子のうち少なくともいずれか一方はLEDモジュールに複数個備えられることが好ましい。さらに、パターン回路は、複数のLEDモジュールを並列あるいは直列に接続するように形成されることが好ましい。この構成により、様々な方法で複数のLEDモジュールを接続できる。
 さらに、次の構成を備えていることが好ましい。電気絶縁体は、放熱板の第一面で互いに離間する一対の電気絶縁体である。一対の電気絶縁体の間にLEDモジュールが配置され、電気絶縁体それぞれの第一面にパターン回路が形成される。
 複数のLEDモジュールを並列に接続した場合には、さらに次の構成を備えていることが好ましい。パターン回路は電気絶縁体の第一面の長辺方向に沿って延びる複数の配線ラインを有している。複数のLEDモジュールは、正端子と負端子を介して配線ラインに電気的に接続される。この構成により、様々な方法で複数のLEDモジュールを接続できる。
 複数のLEDモジュールを並列に接続した場合には、さらに次の構成を備えていることが好ましい。複数の配線ラインは、各LEDモジュール正端子が接続される正側配線ラインと、各LEDモジュールの上記負端子が接続される負側配線ラインであることが好ましい。さらに、正側配線ラインと負側配線ラインは、単一の電気絶縁体に形成されることが好ましい。この時、パターン回路の一部が、電気絶縁体に埋設されることが一層好ましい。この構成により、単一の電気絶縁体上で複数の配線ラインと複数の端子とを接続できるので、半田接合が容易になり製造コストを抑えることができる。
 さらに、次の構成を備えていることが好ましい。電気絶縁体は、一対の電気絶縁体として放熱板の第一面で互いに離間するように設けられる。一対の電気絶縁体の間にLEDモジュールが配置される。正側配線ラインと負側配線ラインが、それぞれ一対の電気絶縁体に形成される。この構成により、様々な方法で複数のLEDモジュールを接続できる。
 さらに、LEDモジュールの正端子と負端子が、パッドと同一レベルに位置するように形成されることが好ましい。この構成により、少量の半田によって容易に端子とパッドとを電気的に接合することができる。
 さらに、次の構成を備えていることが好ましい。電気絶縁体には、LEDモジュールに対向する第二面から延出する延出部が設けられる。この延出部にLEDモジュールの第三面の端部が重複する。この構成における、LEDモジュールの第三面に重複する延出部の第一面は、接合時においてLEDモジュールと絶縁体の面上を流れた液状の半田が濡れ広がるためのスペースとなる。すなわち、この延出部によって、液状の半田が放熱板の第一面に達することによる短絡を抑止する。
 さらに、次の構成を備えていることが好ましい。電気絶縁体には、LEDモジュール側に突出する突起が第三面に形成される。LEDモジュールにはこの突起に嵌合する凹所が形成される。この構成により、各LEDモジュールの位置決めが可能になる。
 さらに、LEDモジュールは、各パッドが突起に形成されて、端子がこの凹所内の壁面に露出することが好ましい。この構成により、位置決めを可能にしつつ、端子とパッドとを少量の半田によって接合できる。
 さらに好ましくは、次の構成を備える。各LEDモジュールはLEDチップからの光を透過する第四面を有している。複数のLEDモジュールはこの第四面の短辺方向に沿う形で並べて配置される。この構成によって、LEDユニット1から発せられる光の光度を大きくすることができる。
 さらに、LEDモジュールは、ろう付け又は熱伝導性接着剤によって、放熱板の第一面に接合されることが好ましい。この構成により、ねじ孔をLEDモジュールに設けることなく、高い熱伝導性を確保したままLEDモジュールと放熱板とを接合することができる。さらに、LEDモジュールを小型化することが可能になり、LEDモジュールの高密度実装が可能となる。
 さらに好ましくは、放熱板は、複数のLEDモジュールを搭載する搭載台と、この搭載台に着脱自在の基台とで構成される。この構成によれば、LEDモジュールを交換する際に、基台と独立してLEDモジュールを搭載した搭載台のみを交換できるので、交換作業が容易になる。
 あるいは、LEDチップを内部に収めるパッケージを含むLEDモジュールと放熱板から成るLEDユニットにおいて、さらに次の構成を備えることも好ましい。放熱板の第一面には、パターン回路が形成された電気絶縁板が搭載されて、このパターン回路とLEDモジュールとがワイヤによって接続される。この構成においても、LEDモジュールとパターン回路との電気的な接合を容易に行うことができる。
実施形態1のLEDユニットの構成を示す斜視図である。 同上のLEDユニットにおけるパッケージの一例を示し、このパッケージを上方から見たときの斜視図である。 同上のLEDユニットにおけるパッケージの一例を示し、このパッケージを下方から見たときの下面図である。 同上のLEDユニットにおけるパッケージの他例を示し、このパッケージを上方から見たときの斜視図である。 同上のLEDユニットにおけるパッケージの他例を示し、このパッケージを下方から見たときの下面図である。 同上のLEDユニットにおけるパッケージの内部構造を示す斜視図である。 同上のLEDユニットにおける、端子とLEDチップとの接続関係を示す回路図である。 実施形態2のLEDユニットの構成を示す斜視図である。 同上のLEDユニットにおける、端子とLEDチップとの接続関係を示す回路図である。 同上のLEDユニットにおける、端子とLEDチップとの他の接続関係を示す回路図である。 実施形態3のLEDユニットの構成を示す斜視図である。 同上のLEDユニットにおける、端子とLEDチップとの接続関係を示す回路図である。 同上のLEDユニットにおける、端子とLEDチップとの他の接続関係を示す回路図である。 実施形態4のLEDユニットの構成を示す斜視図である。 実施形態5のLEDユニットの構成を示す斜視図である。 実施形態6のLEDユニットの構成を示す斜視図である。 同上のLEDユニットにおけるLEDモジュールの構成を示す斜視図である。 同上のLEDユニットにおけるLEDモジュールの構成を示す分解斜視図である。 同上のLEDユニットの要部構成を示す側面断面図である。 実施形態7のLEDユニットの構成を示す斜視図である。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
 (実施形態1)
 実施形態1のLEDユニット100は、図1に示すように、複数(本実施形態では10個)の略直方体状のLEDモジュール1と、略直方体状の電気絶縁体30と、略直方体型の放熱板40を含む。電気絶縁体30の第一面(本実施形態では上面)には、複数のLEDモジュール1を互いに電気的に接続するように形成された配線ライン(パターン回路)50が設けられている。この配線ライン50は、負側配線ライン50aと正側配線ライン50bを有している。以下、図1に示された方向を用いて説明する。放熱板40の厚み方向を上下方向として説明する。各LEDモジュール1は放熱板の40の上面(第一面)40aに搭載されているとする。放熱板40の長手方向(あるいは、複数LEDモジュール1の配列方向)を前後方向とする。左右方向は、上下方向、前後方向のいずれに対しても垂直であるとする。なお、各LEDモジュール1が搭載される放熱板の40の上側が、LEDユニット100の使用時における正面側となる。
 放熱板40には、前後方向に沿って延びる溝41が上面に形成されている。溝41は、電気絶縁体30の一部を収めている。放熱板40の上面において、溝41よりも左側でLEDモジュール1が搭載されている。
 電気絶縁体30は、主部31と延出部32から成り、前後方向に垂直な断面がL字型になるように形成されている。主部31は、配線ライン50を搭載する上面を有している。延出部32は、主部31の第二面(本実施形態では左側面)の下部から突出する形で形成されている。なお、本実施形態では、主部31の上面と左側面が、それぞれ電気絶縁体30の第一面と第二面となる。主部31の下部と延出部32とが溝41に収められている。延出部32は、その上面で、各LEDモジュール1の第三面(本実施形態では底面)1cの右端部を搭載する。
 すなわち、各LEDモジュール1は、電気絶縁体30の延出部32と、放熱板40によって支持されている。複数のLEDモジュール1は、互いに所定間隔で離間しながら、電気絶縁体30の長手方向に沿って一列に配置されている。
 図1、図3に示すように、LEDモジュール1は、LEDチップ10と、電気絶縁性材料から形成されてLEDチップ10を収納するパッケージ20を含んでいる。LEDチップ10は、上面にカソード、下面にアノードが位置するようにパッケージ20の底に搭載されている。本発明において、LEDチップ10の搭載方法はこれに限定されず、上面にアノード、下面にカソードが位置するように搭載されていてもよい。各パッケージ20は、図3に示すように、平面視矩形状に形成されており、カバー21(図1には図示なし)とハウジング22とから成っている。カバー21は、ガラスなどの光透過性材料から形成されて、四角錐台の形状を有している。このカバー21は、底面に開口を有し、上面でLEDチップ10からの光を透過する。このカバー21の上面が、LEDモジュール1における第四面(上面)1dとなっている。カバー21の下面の周縁は、ハウジング22の上面の周縁に接合される。
 ハウジング22は、高い電気絶縁性と、高い熱伝導性を有する複数の材料を含むMID(molded interconnect device)や積層体(低温同時焼成セラミックス(Low Temperature Co-fired Ceramics(LTCC))等)により形成される。さらに、ハウジング22は高い電気絶縁性と熱伝導性の両方を有するサブマウント部材22aが一体に形成されている。このサブマウント部材22aは、LEDチップ10と放熱板40との間に位置するように、ハウジング22の底(すなわち、パッケージ20の底)に形成されている。すなわち、LEDチップ10は、サブマウント部材22aを介して放熱板40の上面40aに搭載されている。なお、サブマウント部材の材料として、例えばAlN(窒化アルミニウム)やLTCCなどが採用される。LEDチップ10と放熱板40の上面40aとの間にサブマウント部材22aが介在する形で各LEDモジュール1が放熱板40に直接搭載されていることで、このLEDユニット100はLEDチップ10から発せられる熱をすばやく拡散できる。
 このハウジング22の外面(すなわち、各LEDモジュール1の外面)において、負側配線ライン50aと正側配線ライン50bにそれぞれ半田によって接合される負端子27aと正端子27b(271b,272b)が露出している。この正端子27bは、本実施形態では複数(本実施形態では2つ)設けられているが、一つだけが設けられていてもよい。
 このハウジング22の外面(すなわち、各LEDモジュール1の外面)は、電気絶縁体30に対向する第一面(本実施形態では右側面)と、第二面(本実施形態では左側面)と、第三面(本実施形態では底面)を有している。このハウジング22の第一面、第二面、第三面が、それぞれLEDモジュール1の第一面1a、第二面1b、第三面1cとなっている。各LEDモジュール1の(ハウジング22の)右側面1aには負端子27aと正端子271bが一つずつ設けられている。各LEDモジュール1の(ハウジング22の)左側面1bには正端子272bが設けられている。本実施形態では、この正端子272bはパッド53に半田接合されていない。
 また、図1に示すように、複数のLEDモジュール1は、LEDチップ10からの光を透過する上面の短辺方向に沿う形で並べて配置されている。このように配置することによって、LEDユニット1から発せられる光の光度を大きくすることができる。
 図3は、LEDモジュール1のハウジング22の内部構造を示している。このハウジング22は、上部が開口した直方体型形状を有している。ハウジング22の内底面の中央には、上側で開口する凹所23が設けられている。この凹所23は八角錐台状に形成されている。この凹所23の内底面の中央には、導電性部材から成る第一ランド24a、第二ランド24b、第三ランド24cが備えられている。第一ランド24aは矩形状に形成されて、その上面にはダイボンドによってLEDチップ10が電気的に接合されている。上述したように、本実施形態ではLEDチップ10は、上面にカソード、下面にアノードが位置するように搭載されているので、LEDチップ10のアノードが第一ランド24aに電気的に接続される。第一ランド24aの左右両側に、第二ランド24b,第三ランド24cが設けられている。また、第一ランド24aの左右両側には2つのハンプ25a,25bが設けられている。ハンプ25aは第一ランド24aと第二ランド24bとの間に介在するように設けられていて、導体パターン(図示なし)によって第二ランド24bに電気的に接続されている。ハンプ25bは第一ランド24aと第三ランド24cとの間に介在するように設けられている。また、2つのハンプ25a,25bは、互いに導体パターン(図示なし)によって電気的に接続されている。
 ハンプ25aは、ボンディングワイヤ(図示せず)を介してLEDチップ10の上面に電気接続されている。すなわち、LEDチップ10のカソードは、ボンディングワイヤ(図示せず)とハンプ25aと導体パターン(図示なし)を介して第二ランド24bに電気接続される。さらに、この第二ランド24bには、内壁が導電性部材により被膜されたビアホール(例えば、導電ペーストスルーホール)28が形成されている。このビアホール28は、第二ランド24bからハウジング22の下側に向かうように直線状に延びている。このビアホール28の下端は、ハウジング22の下面側に設けられた下面側導体パターン26aに電気接続される。この下面側導体パターン26aの一端は、ハウジング22の側面1a,1bで露出する負端子27aとなっている。
 パッケージ20の一例として、この負端子27aがハウジング22の側面の上端からほぼ中央部にかけて露出するように設けられる。このとき、下面側導体パターン26aはハウジング22の底壁内部に設けられる。図2A,図2Bはそれぞれ、このパッケージを上方、下方から見たときの図である。
 パッケージ20の他例として、この負端子27aがハウジング22の側面の上端から下端にかけて露出するように設けられる。このとき、下面側導体パターン26aは、ハウジング22の底面1cで露出するように設けられる。図2C,図2Dはそれぞれ、このパッケージを上方、下方から見たときの図である。なお、下面側導体パターン26aをハウジング22の底面で露出するように設けたときは、場合によっては、下面側導体パターン26aと放熱板40間の短絡を防止するために電気絶縁体30に延出部32を必ず設けなければならない。さらに、ビアホール28は第二ランド24bからハウジング22の底面1cまでハウジング22の内壁を貫通するように延びている。
 どちらの例においても、各負端子27aは、下面側導体パターン26a、ビアホール28、第二ランド24b、導体パターン(図示なし)、ボンディングワイヤ(図示なし)を介してLEDチップ10のカソードに電気的に接続されている。なお、LEDチップ10は、図2B、図2Dで示されるハウジング22の底の上面(紙面裏側)のうち、点線の四角形で示された領域に搭載されている。すなわち、上述したサブマウント部材22aは、ハウジング22の底のうち、少なくとも図2B(図2D)中の点線の四角形で示された領域に形成されている。以下の説明では、主に下面側導体パターン26aがハウジング22の底壁内部に設けられた場合(すなわち、図2A,図2Bに示す構成を備えた場合)について説明する。
 第三ランド24cには、ツェナーダイオード(図示せず)が搭載され、導電パターンによって第一ランド24aと上面側導体パターン26bに電気的に接続されている。このツェナーダイオードは、ダイボンドにより第三ランド24cに電気的に接続されて、ボンディングワイヤ(図示せず)によりハンプ25bに電気的に接続されている。このハンプ25bは、ボンディングワイヤ(図示せず)を介してLEDチップ10の上面に電気接続されている。すなわち、このツェナーダイオードは、LEDチップ10に対して並列に接続されている。
 ハウジング22の上面のうち、凹所23の周辺と凹所23の側壁の一部に上面側導体パターン26bが設けられている。この上面側導体パターンは略T字型に形成されていて、一端が第一ランド24aに接続されている。残りの二端は2つの正端子27b(271b,272b)に接続されている。すなわち、各正端子27bは、上面側導体パターン26bと第一ランド24aを介してLEDチップ10のアノードに電気的に接続されている。図4の回路図は、本実施形態のLEDユニットにおける、LEDチップ10と端子27a,27b(271b)との接続関係を示している。
 この正端子27bは、回路(配線パターン)50bに対向する形でハウジング22の右側面1aから外部に露出し、半田によって回路(配線パターン)50bに接合される。
 上述したように、負端子27aは、内壁が導電性部材により被膜されたビアホール28とボンディングワイヤ(図示せず)を介してLEDチップ10のカソードに電気的に接続されている。この負端子27aは、回路(配線パターン)50aに対向する形でハウジング22の右側面1aから外部に露出している。図2A,図2Cに示すように、本実施形態では、負端子27aは上下方向に細長い帯状の形状を有し、上端が半円状に形成されている。なお、本発明では、負端子27aは必ずしもこの形状に限定されない。例えば、負端子27aの上端は、矩形状に形成されてもよい。
 電気絶縁体30の主部31の上面に形成された2つの配線ライン50(負側配線ライン50a、正側配線ライン50b)は、それぞれメインライン51(51a,51b)と、複数のブランチライン52(52a,52b)と、複数のパッド53(53a,53b)を有している。各パッド53の形状は、本実施形態では半円状になっているが、必ずしもこれに限定されない。例えば、各パッド53は矩形状に形成されてもよい。
 各メインライン51は外部電源(図示なし)に接続されて、電気絶縁体30の上面で前後方向に延びている。各ブランチライン52は、メインライン51から各LEDモジュール1へと左右方向に延びている。
 本実施形態では、各パッド53は、各ブランチライン52の一端に形成されて、各LEDモジュール1の右側面1aに設けられた各端子27に半田接合される。そして、負側配線ライン50aのブランチライン52aの一部が電気絶縁体30に埋設されている。
 本実施形態では、外部に露出する各端子27と各パッド53とが同一レベル(同一高さ)に位置するように、電気絶縁体30の厚みが決定されている。ここでは、各負端子27aの上端と各パッド53aとが同一レベル(同一高さ)に位置し、各正端子27bの上端と各パッド53bとが同一レベル(同一高さ)に位置している。
 このような設計により、ボンディングワイヤを用いずに少量の半田によって各端子27と各パッド53とを接合できて、容易に複数のLEDモジュール1を並列に接続できる。本実施形態では、半田ペーストを各パッド53上に塗布した後に、放熱板40の下面から加熱することによるリフロー方式により、各端子27と各パッド53とを半田接合している。
 上述したように、電気絶縁体30は、主部31の第二面(本実施形態では左側面)の下部から突出する延出部32を有している。加熱に伴い液状になった半田がLEDモジュール1の右側面や主部31の左側面上部を流れた場合において、延出部32はその上面において液状の半田が広がるためのスペースを提供している。すなわち、延出部32は、液状の半田が放熱板40の上面に達することによる短絡を抑止している。
 なお、下面側導体パターン26aと放熱板40間の短絡の恐れがなく、ごく少量の半田ペーストで各端子27と各パッド53とを接合できて液状の半田による短絡の恐れがなければ、延出部32を必ずしも設ける必要はない。延出部32を設けない場合においては、放熱板40の溝41は電気絶縁体30の主部31の下部を収める大きさに設計されて、各LEDモジュール1の底面1c全体が放熱板40の上面40aに搭載される。
 なお、上述したように、LEDチップ10は上面にアノード、下面にカソードが位置するように搭載されていてもよい。この場合では、各LEDモジュールにおいて、27aで示される端子が正端子、27bで示される端子が負端子となる。そして、電気絶縁体30の配線ラインのうち、50aが正側配線ライン、50bが負側配線ラインとなる。そして、負端子27b,正端子27aが、それぞれ半田によってパッド53b,53aに接合される。
 また、本実施形態では、各LEDモジュール1に備えられる負端子27aが
1個の場合について説明した。この負端子27aは1個に限らず、複数個備えられていてもよい。例えば、2個の負端子27aが備えられる場合は、2個の負端子27aが各LEDモジュール1の第一面1aと第二面1b(LEDモジュール1の(ハウジング22の)右側面と左側面)で露出するように設けられる。この場合は、下面側導体パターン26aは、ビアホール28の下端からLEDモジュール1の左右両側面1a,1bに向かって延出するように形成される。そして、負端子27aが各LEDモジュール1の左右両側面1a,1bから外部に露出するように形成される。後述するように、各LEDモジュール1に負端子27aと正端子27bをそれぞれ複数個設けることで、複数のLEDモジュール1を様々な方法で電気接続することができる。
 (実施形態2)
 図5に示す本実施形態のLEDユニット100の基本構成は、実施形態1とほぼ同じであって、同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、放熱板40に設けられる溝41の本数、電気絶縁体30の本数、半田による接合箇所などが実施形態1と異なっている。
 本実施形態では、放熱板40の上面に溝41が2個形成されている。放熱板40の上面40aには、2個の溝41にそれぞれ収められる形で2個の電気絶縁体30(30a,30b)が搭載されている。2個の電気絶縁体30a,30bは、各LEDモジュール1を間に挟む形でそれぞれ放熱板40の上面40aの右側と左側にそれぞれ搭載されている。各電気絶縁体30は、配線ライン50を搭載する主部31と、主部31の第二面の下部から突出する延出部32から成る。2個の電気絶縁体30a,30bには、それぞれ負側配線ライン50aと正側配線ライン50bが上面(第一面)に形成されている。なお、本実施形態では、電気絶縁体30aの主部31の左側面と、電気絶縁体30bの主部31の左側面が、電気絶縁体30における第二面となる。
 本実施形態における各LEDモジュール1の構成は、実施形態1と略同じである。すなわち、LEDモジュール1において、電気絶縁体30aに対向する右側面には負端子27aと正端子271bが露出していて、電気絶縁体30bに対向する左側面には正端子272bが露出している。
 負側配線ライン50aの各パッド53aは、LEDモジュール1の各負端子27aに対して同一レベル(同一高さ)で対向するように電気絶縁体30a上に形成されている。正側配線ライン50bの各パッド53bは、LEDモジュール1の各正端子272bに対して同一レベル(同一高さ)で対向するように電気絶縁体30a上に形成されている。本実施形態では、各負端子271bはパッド53に半田接合されていない。図6Aの回路図は、本実施形態のLEDユニット100における、LEDチップ10と端子27a,27b(271b,272b)との接続関係を示している。
 この構成によって、実施形態1のときと同様、ボンディングワイヤを用いずに少量の半田によって各端子27と各パッド53とを接合することで、容易に複数のLEDモジュール1を並列に接続できる。同様に、電気絶縁体30の延出部32は、その上面において液状の半田が広がるためのスペースを提供しているので、液状の半田が放熱板40の上面に達することによる短絡を抑止している。なお、実施形態1のときと同様、下面側導体パターン26aと放熱板40間の短絡の恐れがなく、ごく少量の半田ペーストで各端子27と各パッド53とを接合できて液状の半田による短絡の恐れがなければ、延出部32を必ずしも設ける必要はない。
 また、実施形態1のときと同様、本実施形態においても、各LEDモジュール1に備えられる負端子27aは1個に限らず、複数個備えられていてもよい。上述したように2個の負端子27a(271a,272a)が各LEDモジュール1の左右両側面1a,1bから外部に露出するように形成された場合には、各電気絶縁体30a,30bの上面に、複数の配線ライン50a,50bが形成される。そして、各LEDモジュール1の左右両側面1a,1b側で、各端子27aと各パッド53aとの間、各端子27bと各パッド53bとの間で半田接合される。図6Bの回路図は、この方法によって接合された場合における、LEDチップ10と端子27a(271a,272a),27b(271b,272b)との接続関係を示している。また、本実施形態においても、LEDチップ10は上面にアノード、下面にカソードが位置するように搭載されていてもよい。この場合でも、端子27aとパッド53aとの間、端子27bとパッド53bとの間で半田接合される。
 (実施形態3)
 図7に示す本実施形態のLEDユニット100の基本構成は、実施形態1とほぼ同じであって、同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態における各LEDモジュール1の構成は、実施形態1と略同じである。本実施形態は、LEDモジュール1が直列に接続されている点などに関して実施形態1と異なっている。図8Aの回路図は、本実施形態のLEDユニット100における、LEDチップ10と端子27a,27bとの接続関係を示している。
 本実施形態では、パターン回路50が、複数のLEDモジュール1を直列に接続するように形成されて、各LEDモジュール1の負端子27aと正端子27b(271b)とにそれぞれ半田接合されるパッド53a,53bを有している。また、各パッド53は、各端子27に対して同一レベル(同一高さ)で対向するように設計されている。
 この構成によって、ボンディングワイヤを用いずに各端子27と各パッド53とを少量の半田によって、容易に複数のLEDモジュール1を直列に接続できる。同様に、電気絶縁体30の延長部32は、液状の半田が放熱板40の上面に達することによる短絡を抑止している。なお、実施形態1のときと同様、下面側導体パターン26aと放熱板40間の短絡の恐れがなく、液状の半田による短絡の恐れがなければ、延出部32を必ずしも設ける必要はない。
 また、実施形態1のときと同様、本実施形態においても、各LEDモジュール1に備えられる負端子27aは1個に限らず、複数個備えられていてもよい。2個の負端子27a(271a,272a)が各LEDモジュール1の左右両側面1a,1bから露出するように形成された場合には、実施形態2のように、放熱板40の上面に2個の溝41が形成されて、2個の電気絶縁体30が搭載される。そして、各電気絶縁体30の上面に、パターン回路50が形成される。複数のLEDモジュール1が直列に接続されるように、各端子27と各パッド53との間で半田接合される。この直列接続は、例えば図8Bの回路図に従って行うことができる。すなわち、各LEDモジュール1は、負端子271aと正端子272bの両方において半田接合されるか、負端子272aと正端子271bの両方において半田接合されることで、電気接続される。また、本実施形態においても、LEDチップ10は上面にアノード、下面にカソードが位置するように搭載されていてもよい。この場合でも、端子27aとパッド53aとの間、端子27bとパッド53bとの間で半田接合される。
 (実施形態4)
 図9に示す本実施形態のLEDユニット100の基本構成は、実施形態1とほぼ同じであって、同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態は、各端子27と電気絶縁体30の形状などに関して実施形態1と異なっている。
 本実施形態における電気絶縁体30は、上面が同じレベル(同じ高さ)の主部31と延出部32を有し、直方体状に形成されている。
 各負端子27aと各正端子27bはそれぞれ上下方向に細長い帯状の形状を有し、下端が半円状に形成されている。本発明では、各端子の形状はこれに限定されない。本実施形態では、各端子27a,27bの下端が同一レベル(同じ高さ)に位置していて、各正端子27bが各負端子27aよりも上下方向に長くなっている。また、各パッド53a,53bは、各端子27a,27bの下端と同一レベル(同じ高さ)に位置している。この構成においても、少量の半田によって各端子27と各パッド53とを容易に接合でき、延出部32の上面によって液状の半田による短絡を抑止している。
 本実施形態の構成について、図9を参照しながら、実施形態1と同様の基本構成を有している場合について説明したが、本実施形態はこの構成に限定されない。すなわち、本実施形態における構成は、実施形態2、実施形態3と同様の基本構成を有している場合にも適用できる。
 (実施形態5)
 図10に示す本実施形態のLEDユニット100の基本構成は、実施形態4とほぼ同じであって、同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態は、各LEDモジュール1と電気絶縁体30の形状などに関して実施形態4と異なっている。
 電気絶縁体30には、その第二面(主部31の左側面)の上部から突出する形で突起33が形成されている。さらに、各LEDモジュール1には、この突起33に嵌合する凹所29が形成されている。本実施形態では、この凹所29は、ハウジング22の底面1cに設けられている。この構成によって、各LEDモジュール1の位置決めを行うことができる。
 さらに、電気絶縁体30の各突起33の上面には、パッド53が形成されている。さらに、各LEDモジュール1において、凹所29は、その壁面において下面側導体パターン26aが負端子27aの一部として露出するように形成されている。各正端子27bは、各LEDモジュール1の第一面(右側面)1aと凹所29の内壁上面に跨って形成されている。なお、図10に示すように、本実施形態では、各負端子27aも各LEDモジュール1の第一面(右側面)1aと凹所29の内壁上面に跨って形成されている。この構成により、凹所20の内壁とLEDモジュール1の側面に跨って半田接合できるので、接合信頼性が向上する。
 この構成により、LEDモジュール1の位置決めが行えるだけでなく、少量の半田によって各端子27と各パッド53とを電気的に接合できる。また、本実施形態における構成は、実施形態1、実施形態2、実施形態3と同様の基本構成を有している場合にも適用できる。
 (実施形態6)
 本実施形態のLEDユニット100は、図11に示すように、複数のLEDモジュール1を、放熱板40の上面(第一面)40aに実装して構成される。
 LEDモジュール1は、図12、図13に示すように、LEDチップ10と、LEDチップ10を収納するパッケージ20とで構成されている。パッケージ20は、上面にLEDチップ10をAuSn接合したサブマウント基板22aと、LEDチップ10を囲むようにサブマウント基板22aの上面にAuSn接合した枠体22bと、枠体22bの円状の開口周縁にAuSn接合した光学ガラス21とで構成される。サブマウント基板22aは、AlN(窒化アルミニウム)で形成されており、その両面はAu(金)めっきされ、さらに枠体22bに対向する上面は環状にAuSn(金すず)めっきされている(図13中のX領域)。枠体22bは、絶縁性材料のなかでも比較的熱伝導率が高く、AlNと熱膨張率が近いAl23(酸化アルミニウム)等で形成されており、その上面はAuめっきされ、さらにサブマウント基板22aに対向する下面には環状のAuSnめっきが施されている。光学ガラス21は、枠体22bの開口周縁に対向して環状のAuめっきが施されている。そして、上記各部に施したAuSnめっきによって、サブマウント基板22a、枠体22b、光学ガラス21が互いにAuSn接合される。
 LEDチップ10は、例えば、紫外領域にピーク波長を有する紫外線LEDチップである。LEDチップ10のアノードはワイヤー80を導出して、サブマウント基板22a(または枠体22b)上面のAuめっきにダイボンドにより接続される。LEDチップ10のカソードもワイヤー80を導出して、枠体22b(またはサブマウント基板22a)上面のAuめっきにワイヤボンドにより接続されている。つまり、LEDチップ10のアノードはサブマウント基板22a上面の金めっき部分(アノード71)に電気的に接続され、カソードは枠体22b上面の金めっき部分(カソード72)に電気的に接続されている。したがって、アノード71およびカソード72をパッケージ20の上下層で構成できるため、パッケージ20のコンパクト化を図ることができる。なお、LEDチップ10のアノードを枠体22b上面の金めっき部分に電気的に接続し、カソードをサブマウント基板22a上面の金めっき部分に電気的に接続してもよい。また、本実施形態ではLEDチップ10の一例として紫外線LEDチップを例示したが、LEDチップ10は紫外線LEDチップに限定されない。
 ところで、サブマウント基板22aは、LEDチップ10と同等の線膨張率を有するAlNで形成されて、LEDチップ10と放熱板40との間に介在している。このサブマウント基板22aは、LEDチップ10と放熱板40との熱膨張差に起因するLEDチップ10への応力を低減するとともに、LEDチップ10の発熱をすばやく横方向に広げ、かつ縦方向に伝達する熱拡散機能を有しており、熱抵抗が低減されている。
 放熱板40は、直方体状の銅プレートで形成され、LEDモジュール1を2列に長手方向に並べて実装する第一面(上面)40aを有した支持基台として機能する。放熱板40は、LEDチップ冷却用の冷媒の複数(図示例では2つ)の流路46,47を内部に備えている。流路46,47は、円筒状に形成され、それぞれの長さ方向が同方向(放熱部材2の長手方向)となる。流路46,47は、その長さ方向に直交する方向(放熱部材2の短手方向)において、所定間隔を隔てて平行するように放熱板40に形成されている。流路46,47に流す冷媒としては、水、シリコーン樹脂等の周知のものを用いる。なお、放熱板402の上面にLEDモジュール1を実装する形態は、長手方向に2列に並べる構成に限定されず、1列,3列,...や他の実装形態であってもよい。
 このような放熱板40に本実施形態のLEDモジュール1を取り付けるには、図14に示すように、放熱板40の上面40aに、LEDモジュール1のサブマウント基板22aの下面を半田60によって直接接合する。したがって、従来のようにLEDモジュールをねじ留め固定する構成に比べて、ねじ孔をLEDモジュール1に設ける必要がなく、LEDモジュール1を小型化することができ、LEDモジュール1の高密度実装が可能となる。
 また、LEDモジュール1のサブマウント基板22aを放熱板40に接合する手段としては、半田60によるはんだ付け以外に、熱伝導性接着剤を用いてもよい。この熱伝導性接着剤は、固着機能を有するエポキシ等の樹脂と導電機能を有する銀等の金属(導電性フィラー)とを混合して熱伝導率の高い性質を有する導電性接着剤、または絶縁性の高い材料から形成されて熱伝導率の高い性質を有する絶縁性接着剤を用いる。
 そして、放熱板40には、流路46,47が形成されており、LEDモジュール1で発生した熱は、サブマウント基板22aおよび放熱板40を通じて、流路46,47を通る冷媒に伝熱されるようになっている。ここで、サブマウント基板22aの下面はアノード71およびカソード72に対して電気的に絶縁されているため、放熱経路の絶縁性が確保されている。また、サブマウント基板22aの両面に施されたAuめっきと上記熱拡散機能とによって熱抵抗が低減されており、放熱効率が向上している。
 ところで、冷媒は、流路46,47を通る際に熱を吸収するため、流路46,47を通った後に比べれば、流路46,47を通る前のほうが温度は低い。したがって、流路における冷媒流入口側では冷却効率が相対的に高く、冷媒流出口側では冷却効率が相対的に低くなり、その結果、冷媒流出口側にいけばいくほどLEDチップ10の発光効率が悪くなる。
 そこで、本実施形態では、流路46には放熱板40の長手方向一端側(図11における右側)から冷媒を流入させ、流路47には放熱板40の長手方向他端側(図1における左側)から冷媒を流入させている。この構成によって、流路46における冷媒の流動方向と流路47における冷媒の流動方向とを逆向きにしている。つまり、隣り合う流路46,47における冷媒の流動方向は互いに逆方向となっている。
 このようにすれば、流路46においては、放熱板40の長手方向他端側よりも長手方向一端側のほうが冷媒の温度が低くなるのに対し、流路46においては、放熱板40の長手方向一端側よりも長手方向他端側のほうが冷媒の温度が低くなり、放熱板40全体としては、冷媒の温度分布が均一となる。したがって、冷媒流出口側の冷媒が冷媒流入口側の冷媒よりも高温となることに起因する放熱板40における温度分布の不均一を軽減することができ、LEDモジュール1のLEDチップ10が放射する光の輝度が偏ってしまうことを防止できる。なお、本実施形態における流路の数は一例であり、流路の数は2本より多くてもよい。
 また、放熱板40の上面40aには、長手方向の両縁端に沿って一対の電気絶縁体30が実装されており、電気絶縁体30の上面には、パターン回路50が形成されている。パターン回路50には、図示しない直流電源からの正・負の各電源線が接続される。パターン回路50は、各LEDモジュール1のパッケージ20に形成したアノード71およびカソード72を、パターン回路50の正・負電圧にワイヤー接続することによって、複数のLEDモジュール1が直流電源に対して並列接続される。図11では、パッケージ20に形成したアノード71およびカソード72の各々が放熱板40の長手方向に露出するように、LEDモジュール1を配置しており、上記並列接続に適した配置となっている。また、複数のLEDモジュール1を直流電源に対して直列接続することも可能である。さらに、電気絶縁体30のパターン回路50には、ツェナダイオード、コンデンサ等の電子部品を必要に応じて実装してもよい。
 このように、放熱板40の上面40aにLEDモジュール1および電気絶縁体30を実装することによって、LEDモジュール1の電源への接続を容易に行うことができ、作業性が向上する。
 (実施形態7)
 本実施形態のLEDユニットは図15に示すように、放熱板40を、搭載台44と基台45との2ブロックに分割可能に構成している。そして、搭載台44は、複数のLEDモジュール1を接合する実装面20を上面に有し、その下面が基台45の上面に対向して、基台45に着脱自在に形成されている。搭載台44は、実施形態6と同様にLEDチップ冷却用の冷媒の複数(図示例では2つ)の流路46,47を内部に備えている。そして、搭載台44の下面および基台45の上面は面粗度が小さく、さらに搭載台44の下面が、基台45の上面に対して密着するようにねじ留め等で取り付けられており、搭載台44と基台45との間の熱抵抗を低減させている。
 このように、放熱板40を分割して構成することで、寿命や故障等によってLEDモジュール1を交換する場合には、基台45とは独立してLEDモジュール1を実装した搭載台44のみを交換できるので、流路46,47の再配管を行う必要がなく、交換作業を容易に行うことができる。さらに、基台45の熱容量を大きくして、搭載台44の熱容量を小さくできるため、LEDモジュール1を搭載台44の上面に半田付けまたは熱伝導性接着剤によって接合する場合には、半田付けのための熱源または熱伝導性接着剤の硬化のための熱源を小さくでき、接合プロセスが容易且つ早くなる。
 また、基台45とは別に搭載台44を設けることによって、LEDチップ10の発熱をすばやく横方向に広げ、かつ縦方向に伝達する熱拡散機能がさらに向上する。
 なお、上記の実施形態に示したLEDユニット100の用途としては、例えば、紫外線を放射するLEDチップ(紫外線LEDチップ)を用いた光源装置(紫外線硬化装置)が挙げられる。このような光源装置は、紫外線を受光することによって硬化する紫外線硬化材、例えば、紫外線硬化型のインク(インキともいう)などを硬化させる印刷システムなどに利用される。

Claims (21)

  1.  複数のLEDモジュールと放熱板を含むLEDユニットであって、
     各LEDモジュールは、LEDチップと、上記LEDチップを内部に収める電気絶縁性のパッケージを含み、
     上記の各パッケージは、上記LEDチップと上記放熱板との間に位置する部分に、熱伝導性を有するサブマウント部材が一体に形成されて、
     各LEDモジュールは、上記放熱板の第一面に並べて配置されたことを特徴とするLEDユニット。
  2.  上記の各LEDモジュールの外面に、それぞれ上記LEDチップのアノードとカソードにそれぞれ電気的に結合された正端子と負端子が露出し、
     上記放熱板は、その上記第一面において、上記LEDモジュールに隣接するように電気絶縁体が備えられ、
     この電気絶縁体の第一面にパターン回路が形成され、このパターン回路は複数の上記LEDモジュールを互いに電気的に接続するように形成され、上記の各LEDモジュールの端子へ半田接合されるための複数のパッドが形成されたことを特徴とする請求項1に記載のLEDユニット。
  3.  上記正端子と上記負端子は、上記LEDモジュールの第一面に形成されたことを特徴とする請求項2に記載のLEDユニット。
  4.  上記正端子と上記負端子は、上記LEDモジュールの上記第一面と第二面に形成されたことを特徴とする請求項2に記載のLEDユニット。
  5.  上記正端子と上記負端子のうち少なくともいずれか一方は上記LEDモジュールに複数個備えられることを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  6.  上記パターン回路は、上記複数のLEDモジュールを並列に接続するように形成されたことを特徴とする請求項2から5のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  7.  上記パターン回路は、上記複数のLEDモジュールを直列に接続するように形成されたことを特徴とする請求項2から5のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  8.  上記電気絶縁体は、上記放熱板の上記第一面で互いに離間する一対の電気絶縁体であり、一対の電気絶縁体の間に上記LEDモジュールが配置され、電気絶縁体それぞれの上記第一面に上記のパターン回路が形成されることを特徴とする請求項2から7のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  9.  上記パターン回路は、上記電気絶縁体の上記第一面の長辺方向に沿って延びる複数の配線ラインを有し、上記複数のLEDモジュールは上記正端子と負端子を介して上記配線ラインに電気的に接続されることを特徴とする請求項2から6のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  10.  上記複数の配線ラインは、各LEDモジュールの上記正端子が接続される正側配線ラインと、各LEDモジュールの上記負端子が接続される負側配線ラインであることを特徴とする請求項9に記載のLEDユニット。
  11.  上記正側配線ラインと上記負側配線ラインは、単一の上記電気絶縁体に形成されることを特徴とする請求項10に記載のLEDユニット。
  12.  上記パターン回路の一部は、上記電気絶縁体に埋設されたことを特徴とする請求項2から11のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  13.  上記電気絶縁体は、上記放熱板の上記第一面で互いに離間する一対の電気絶縁体であり、一対の電気絶縁体の間に上記LEDモジュールが配置され、上記正側配線ラインと上記負側配線ラインが、それぞれ上記一対の電気絶縁体に形成されたことを特徴とする請求項10から12のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  14.  上記LEDモジュールの上記正端子と負端子が上記パッドと同一レベルに位置するように形成されたことを特徴とする請求項2から13のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  15.  上記電気絶縁体には、上記LEDモジュールに対向する第二面から延出する延出部が設けられて、この延出部に上記LEDモジュールの第三面の端部が重複したことを特徴とする請求項2から14のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  16.  上記電気絶縁体には、上記LEDモジュール側に突出する突起が上記第二面に形成され、
     上記LEDモジュールには上記突起に嵌合する凹所が形成されたことを特徴とする請求項2から15のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  17.  上記の各パッドが上記突起に形成されて、上記端子が上記凹所内の壁面に露出したことを特徴とする請求項2から16のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  18.  上記の各LEDモジュールはLEDチップからの光を透過する第四面を有し、上記複数のLEDモジュールはこの第四面の短辺方向に沿う形で並べて配置されることを特徴とする請求項1から17のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  19.  各LEDモジュールは、ろう付け又は熱伝導性接着剤によって、上記放熱板の上記第一面に接合されることを特徴とする請求項1から18のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  20.  上記放熱板は、上記複数のLEDモジュールを搭載する搭載台と、この搭載台に着脱自在の基台で構成されることを特徴とする請求項1から19のいずれか一項に記載のLEDユニット。
  21.  上記放熱板の上記第一面には、パターン回路が形成された電気絶縁板が搭載されて、このパターン回路と上記LEDモジュールとがワイヤによって接続されることを特徴とする請求項1に記載のLEDユニット。
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